Агроекологічний стан ґрунтів Лісостепу України, вдосконалення управління їх родючістю і продуктивністю агроценозів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Інститут ґрунтознавства та агрохімії ім. О.Н. Соколовського УААН

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеню доктора сільськогосподарських наук

АГРОЕКОЛОГІЧНИЙ СТАН ҐРУНТІВ ЛІСОСТЕПУ УКРАЇНИ, ВДОСКОНАЛЕННЯ УПРАВЛІННЯ ЇХ РОДЮЧІСТЮ І ПРОДУКТИВНІСТЮ АГРОЦЕНОЗІВ

Спеціальність: Агроґрунтознавство і агрофізика

Надточій Петро Петрович

Харків, 1999 рік

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Науковими працями В.В. Докучаєва, К.А. Тімірязєва, Б.А. Костичева, В.Р. Вільямса, Л.М. Прасолова, Д.М. Прянішнікова, В.А. Ковди, В.В. Медвєдєва та інших започатковані фундаментальні напрями робіт щодо раціонального і екологічно збалансованого використання земельних ресурсів в агропромисловому виробництві.

В Лісостеповій ґрунтовій зоні України (20105,2 тис. га.) довготривала дія антропогенного чинника, наслідком якої є високий ступінь розораності сільськогосподарських угідь (75-85%), недосконалість технологій вирощування сільськогосподарських культур, забруднення агроценозів важкими металами, пестицидами та нітратами, а також інші негативні процеси, призвела до значного погіршення агроекологічного стану і зниження родючості ґрунтів. Все частіше рівень урожайності почали обмежувати деформовані антропогенною діяльністю колоїдно-хімічні властивості ґрунту.

Наслідком негативної дії антропогенного впливу є погіршення багатьох функцій ґрунту в екосистемі: екологічної, фітосанітарної, буферної та інших. Зруйновано сформовану в продовж багатьох тисячоліть динамічну рівновагу між синтезом і розкладом органічної речовини - основи продуктивного використання земель і екологічно збалансованого обміну речовин і енергії в системі ґрунт-рослина-атмосфера (А.Д. Фокін, 1986, 1994, В.А. Ковда, 1991). Розвиваються процеси ущільнення та порушення водно-повітряного і поживного режимів (В.В. Медвєдєв, 1993).

Ситуація, що склалася, визначає актуальність даної проблеми. Виникла неохідність в проведенні детальної оцінки сучасного агроекологічного стану ґрунтів даного регіону, а також пошуку шляхів подальшого вдосконалення управління їх родючістю і продуктивністю агроценозів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у відповідності з планом наукових досліджень НАУ. Так, з 1973 по 1977 рр., вона була складовою частиною НДР по тематиці: ”Вивчити живлення сільськогосподарських кульур та розробити систему удобрення в сівозмінах Полісся та Лісостепу УРСР” (номер державної реєстрації 0.051.126), а в період з 1978-1995 рр. - по темі: “Розробити ґрунтозахисну систему землеробства для Лісостепу УРСР” (номер держаної реєстрації 81081583) та по проекту ДКНТ: “Вивчити умови живлення і розробити економічно обґрунтовану систему добрив культур зерново-бурякової сівозміни в умовах інтенсивного землеробства” (номер державної реєстрації 870011696).

Мета та задачі дослідження. Мета наших досліджень - встановити закономірності функціонування ґрунтових екосистем в різних умовах інтенсифікації землеробства Лісостепу України;виявити зміни агроекологічного стану основних типів ґрунтів та їх колоїдно-хімічних властивостей в залежності від різних варіантів довготривалого систематичного внесення добрив в сівозміні;обґрунтувати та запропонувати об'єктивні критерії агроекологічного стану ґрунтів, розробити концепцію управ-ління родючістю ґрунтів для сучасних екологічних умов, запропонувати виробництву конкретні заходи щодо підвищення родючості ґрунтів, підвищення стійкості функціонування агроценозів та їх продуктивності з врахування екологічних обмежень.

Виходячи з цього були поставлені такі завдання:

- вивчити режим органічної речовини в ґрунті (надходження рослинних решток, кінетику процесу їх розкладу, коефіцієнти гуміфікації);

- розробити модель кругообігу вуглецю та визначити критерії стійкості функціонування системи агрофітоценоз - гумусові речовини ґрунту;

- вивчити фізико-хімічний стан ґрунтів та біоенергетику їх органічої речовини;

- встановити коефіцієнти використання рослинами сполук азоту з ґрунту та добрив, мічених ¹⁵N, залежно від різних способів обробітку і норм їх внесення та розрахувати баланс органічного вуглецю і азоту залежно від впливу довготривалого внесення добрив у сівозміні;

- дослідити кількісні та якісні зміни в гумусовому стані та азотному фонді ґрунту;

- детально вивчити буферні властивості різних за генезисом і властивостями ґрунтів та встановити іх зміни під впливом тривалої дії антропогенного чинника, розробити методики визначення, оцінки та складання картограм буферності, встановити об'єктивні, кількісні критерії оцінки фізико-хімічної деградації ґрунтів;

- дослідити еколого-економічну ефективність внесення добрив у сівозміні і вивчити вплив їх довготривалого використання на продуктивність сільськогосподарських культур;

- розробити концепцію подальшого удосконалення процесу управління родючістю ґрунтів і продуктивності агроценозів для сучасних екологічних умов та запропонувати конкретні агромеліоративні і агротехнічні заходи стосовно реалізації розробленої концепції.

Наукова новизна одержаних результатів. Проведені дослідження дозволили встановити ряд нових теоретичних та практичних положень стосовно функціонування ґрунтових єкосистем у різних умовах інтенсифікації землеробства Лісостепу України.

Доказано, що порушення продуційно-відтворюваної та санітарно-гігієнічної функцій ґрунту, що знаходиться в довготривалому використанні, а також його стійкості, обумовлені в першу чергу недостатнім надходженням до ґрунту фотосинтезованої органічної маси у вигляді післяжнивних решток та органічних добрив.

На основі проведення вегетаційно-польових дослідів з використанням ізотопів двох елементів - азоту (¹⁵N) та вуглецю (¹⁴С) виявлені закономірності трансформації органічної речовини та встановлена кінетика надходження продуктів її розкладу в гумінові кислоти та фульвокислоти. Визначена також фізіологічна та продуктивна ефективність різних норм добрив під цукрові буряки, озиму пшеницю та кукурудзу на силос. При цьому встановлені коефіцієнти використання азоту рослинами із ґрунту та добрив в залежності від норм їх внесення та імітації способів обробітку ґрунту. Підтверджена перевага різноглибокого обробітку ґрунту в сівозміні перед мінімальним.

Для поглибленого аналізу якісного складу гумусу та вивчення впливу різних варіантів систем добрив на його зміни запропоновано використовувати відношення вуглецю до азоту (С:N) у складі детритної частини гумусу та у складі власне гумусових речовинах. Показано, що при довготривалому вирощуванні культур сівозміни в різно удобрених варіантах, в першу чергу, змінюється азотний фонд детритної частини гумусу.

Обґрунтована можливість використання параметрів кислотно-основної буферності ґрунту як об'єктивних критеріїв оцінки його якісного стану для цілей ґрунтово-екологічного моніторингу. Запропонована методика її визначення та оцінки, яка отримала широке визнання як в Україні так і за її межами. Використавши розроблену методику, проведено детальне вивчення буферних властивостей різних за генезисом та властивостями ґрунтів, встановлені закономірності впливу довготривалого систематичного використання добрив в сівозміні на зміну буферних властивостей чорнозему типового та лучно-чорноземного ґрунту. Розроблена методика складання картограми буферності ґрунту та шкала її оцінки. Пропонується суцільне обстеження ґрунтів на буферні властивості.

Для сучасних екологічних умов запропонована концепція і принципово інша модель управління родючістю ґрунтів та продуктивністю агроценозів. Найбільш важливим вихідним положенням концепції є положення щодо провідної ролі біологічного фактору у відтворенні та збереженні родючості ґрунтів регіону. Антропогенне втручання в процес функціонування ґрунтових екосистем покликано сприяти збереженню природнього різноманіття форм живої речовини та оптимізації умов її життєдіяльності. На основі теорії катастроф, як сучасного методу досліджень, розроблена модель кругообігу вуглецю та визначені критерії стійкості функціонування системи агрофітоценоз - гумусові речовини ґрунту. Запропоновані конкретні агротехнічні та меліоративні заходи щодо реалізації даної концепції.

Встановлена позитивна дія водного розчину метасілікату натрію щодо запобігання переводу внесеного з добривами Р₂0₅ в важко розчинну форму, а також підвищення виходу розчиненої форми Р₂0₅ із фосфоритів.

Теоретична цінність роботи викладена в науковому обґрунтуванні агроекологічного напряму відтворення родючості ґрунтів, підвищення рівня продуційного процесу та стійкості функціонування агроценозів.

Практичне значення дисертації полягає:

- у встановленні закономірностей впливу довготривалого застосування добрив у сівозміні на якісний склад і властивості гумусу та азотного фонду, енергетичний стан і буферні властивості ґрунту;

- в розробці методики визначення та оцінці кислотно-основної буферності ґрунту та методики складання картограм кислотно-основної буферності ґрунтів, які використовуються при оцінці родючості ґрунтів в сільськогосподарських вузах та науково-дослідних установах;

- у розробці об'єктивних критеріїв оцінки агроекологічного стану ґрунтів, які використовуються науковими установами;

- в застосуванні екзергічного підходу для еколого-економічної оцінки ефективності використання добрив у сівозміні;

- в розробці конкретних рекомендацій для виробництва по підвищенню родючості ґрунтів у сучасних умовах.

Створена автором програма “Визначення буферної здатності ґрунту” є складовою частиною інформаційно-пошукової системи “Чорнобиль” Мінагропрому України. Вона використовується для розрахунку норм вапна в господарствах розташованих в зоні радіоактивного забруднення внаслідок аварії на ЧАЕС. Це дає змогу знижувати коефіцієнти надходження радіоактивного стронцію в сільськогосподарську продукцію.

Особистий внесок здобувача. Зазначені положення дисертації висунуті, обґрунтовані і розроблені особисто автором. Йому належить постановка проблеми, розробка теоретичних положень щодо її вирішення, здійснення польових, вегетаційно-польових, лабораторних і модельних дослідів, узагальнення результатів досліджень, формування висновків і рекомендацій виробництву.

Апробація роботи. Результати досліджень, основні положення і висновки дисертації доповідались, обговорювались і надруковані в матеріалах: Х і XY Менделеєвський з'їзд по загальній і прикладній хімії (Алма-Ата, 1975 і Мінськ, 1993), Регіональна нарада учасників Географічної мережи дослідів з добривами в Українській та Молдавській РСР (Полтава, 1975), Наукова конференція ВАСГНІЛ (Краснодар, 1981), Нарада, присвячена сторіччю книги “Русский чернозем” (Харків, 1983), ІІ з'їзд ґрунтознавців та агрохіміків Української РСР (Харків, 1986), Наукова конференція по важким металам і навколишньому середовищу (Москва, 1982), ІІ наукова конференція “Актуальні проблеми родючості ґрунтів, біологізації землеробства та отримання екологічно високоякісної продукції (Москва, 1994), Міжнародна наукова конференція по реформуванню земельних відносин (Київ, 1996) та інші.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається із вступу, 8 розділів, висновків, рекомендацій виробництву, списку літератури, що включає 512 джерел. Загальний обсяг основного матеріалу дисертації - 315 сторінок, є 54 таблиці та 13 малюнків. До дисертації додані довідки про впровадження наукових розробок.

2. Головний зміст роботи

Об'єкти і методика здійснення досліджень.

Об'єктами досліджень були чорноземи типові, чорноземи опідзолені, лучно-чорноземні і сірі лісові ґрунти, рослинна продукція агроценозів, а також органічні і мінеральні добрива. Основні польові дослідження виконані в трьох стаціонарних сівозмінах, п'яти тимчасових і одному вегетаційно-польовому дослідах. Додаткові дослідження проведені також в умовах природних ценозів та агроценозів на території Київської, Вінницької, Сумської, Рівненської та Чернігівської областей.

Стаціонарна десятипільна зерново-бурякова сівозміна (Агрономічна дослідна станція НАУ “Митниця”) була закладена на лучно-чорноземному ґрунті в 1960-1961 рр., з метою вивчення ефективності дії різних варіантів системи добрив на продуктивність культур і його родючість. Скориговані в 1989 р., варіанти системи добрив дають можливість вивчати ефективність дії таких норм добрив (в розрахунку на 1 га сівозмінної площі): гною - 13-15 т., азоту 80-116 кг., фосфору 85-131 кг., калію 88-131 кг.

Повторюваність досліду триразова. Сівозміна розгорнута в 10 полях у просторі. Чергування культур: конюшина, озима пшениця, цукрові буряки, кукурудза на силос, озима пшениця, горох, озима пшениця, цукрові буряки, кукурудза на зерно, ячмінь з підсіванням конюшини. Розмір облікової ділянки - 100 м².

Стаціонарна десятипільна зерново-бурякова сівозміна (Експери-ментальна база Інституту фізіології рослин АН України). Дослід закладено у 1972 р., на сірому лісному піщано-легкосуглинковому ґрунті.

Кількість внесених добрив залежно від досліджуваних варіантів становила (в розрахунку на 1 га сівозмінної площі): 18 т. гною, 48-96 кг. азоту, 58,5-117 кг., фосфору, 58,5-117 кг., калію, 0,5 кг., молібдену. Чергування культур і площа облікових ділянок подібні до попередньої сівозміни. Повторюваність досліду - чотириразова. Сівозміна розгорнута в 10 полях у просторі.

51-ша сівозміна Миронівського інституту пшениці ім. В.Р. Ремесла. Досліди проведені з ґрунтовими зразками, які були відібрані з орного (0-20 см.) та підорного (20-40 см.) шарів чорнозему типового з таких варіантів: 1 - контрольна система удобрення, 2 - органічна максимальна, 3 - мінеральна максимальна, 4 - змішана органо-мінеральна, 5 - мінеральна нормальна система удобрення. Детальна характеристика сівозміни та ґрунтово-агрохімічні властивості ґрунту опубліковані в роботах Ю.К. Кудзіна, С.В. Сухобруса (1966), А.Є. Гетманця та інш. (1973).

Вегетаційно-польовий дослід з використанням стабільного ізотопу ¹⁵N і загально міченої ¹⁴С рослинної фітомаси. Мета досліджень - вивчення процесів трансформації рослинних решток в чорноземі типовому і використання азоту мінеральних добрив культурами сівозміни з різними варіантами системи удобрення та імітації способів обробітку ґрунту.

Дослід проведений в учбовому господарстві НАУ “Великоснітинський” в 1985-1992 рр.

Для досліджень використовували металеві посудини без дна кубічної форми (0,5 х 0,5 х 0,5 м.), які закопували в ґрунт без порушення природного зложення його профілю. Чергування культур за роками досліджень таке: цукрові буряки, кукурудза на силос, озима пшениця, кукурудза на зерно, горох, озима пшениця, багаторічні трави. Кількість внесених добрив в розрахунку на 1 га під цукрові буряки (1985/1986 рр.) залежно від досліджуваних варіантів становила: 4-12 т. міченої ¹⁴С фітомаси ячменю.

Імітування обробітку ґрунту і заробки добрив під інші культури по всіх варіантах досліду, за винятком другого варіанту, проводили на глибину 0-20 см. У другому варіанті протягом всього дослідження глибина обробітку ґрунту і внесення добрив не перевищувала 10 см. Азот у вигляді загальноміченої аміачної селітри вносили під цукрові буряки. Ступінь збагачення становила 47,91 атомного відсотку надлишку ¹⁵N. Повторюваність досліду - трикратна.

При закладанні та проведенні дослідів і лабораторних робіт керувалися загальноприйнятими методиками і методичними розробками, опублікованими в науковій літературі. Еколого-економічну ефективність використання добрив у сівозміні оцінювали за методикою, описаною В.Г. Мінєєвим та інші (1993).

Культурний ґрунтотворний процес і гумусовий стан ґрунтів.

Культурний ґрунтотворний процес спричинив суттєві зміни в ході природних процесів продукування та деструкції органічної речовини: вплинув на процеси її нагромадження, трансформації, транспортування і мінералізації. Відбулося порушення біогеохімічного циклу вуглецю в екосистемах. Основним матеріалом для формування ґрунтової органічної речовини є рослинні рештки (надземна частина та коріння) культурних рослин і бур'янів, а також органічні добрива.

Встановлено, що в чорноземі типовому (переліг) залежно від ступеня еродованості загальна кількість органічного вуглецю в складі біомаси рослин коливається від 1,4 до 3,9 т/га, в лучно-чорноземному досягає 3,4 т/га. Цей показник в заповідному степу “Михайлівської цілини” сягає відмітки 8,4 т/га. Кількість вуглецю, що надходить щорічно в орний шар ґрунту з післяжнивно-кореневими рештками, залежно від виду культурних рослин, в агроценозах коливається в межах 0,56-3,3 т/га. При цьому найменша їх кількість виявлена під цукровими буряками, а найбільша - під конюшиною. Таким чином, жодна з культурних рослин не спроможна забезпечити надходження в ґрунт такої кількості органічного вуглецю з післяжнивно-кореневими рештками, як це є в природних ценозах “Михайлівської цілини”.

Вирішення проблеми ефективного управління родючістю ґрунтів, отримання необхідного рівня урожайності сільськогосподарських культур та продукції високої якості в умовах Лісостепу України пов'язано зі зміною гумусного стану ґрунтів. Його поліпшення досягається за рахунок пошуку додаткових джерел органічної речовини, шляхів її оптимальної трансформації, екологічно виважених норм мінеральних добрив.

Численні літературні дані про вплив добрив і способів обробітку на трансформацію органічної речовини, а також про використання азоту рослинами не однозначні і мають суперечливі характеристики. Виявити закономірності цих процесів, а також фізіологічну і продуктивну ефективність різних доз добрив можна лише завдяки проведенню досліджень з використанням ізотопів двох елементів - азоту та вуглецю.

Кінетика мінералізації вуглецю загально міченої ¹⁴С рослинної маси ячменю і його надходження в гумусові речовини наведена на мал.1 Після 7-річного періоду мінералізації, залежно від варіантів досліду і з урахуванням статистичної розбіжності даних, збереглося лише 15,5-21,2% ¹⁴С, що був внесений в ґрунт у вигляді міченої фітомаси ячменю. Причому 61,5-68,1% із зазначеної кількості була включена до складу гумінових кислот і фульвокислот. Найбільш інтенсивно процеси мінералізації відбувались у другому варіанті, де органічну речовину вносили на глибину 0-10 см.

Втрати органічного вуглецю із внесеної фітомаси в цьому варіанті становили 84,52,4%, в той час як при внесенні фітомаси в шар 0-20 см. - 80,02,9%. Вапнування ґрунту сприяло збільшенню надходження вуглецю з мінералізованих решток у гумусові речовини. Імітування способів обробітку ґрунту, за умови заробки добрив в шар 0-20 см., суттєво не вплинуло на ці показники.

Проведені спостереження свідчать, що на вміст водорозчинної органіки і варіабельність її в часі впливають варіанти системи добрив, кількість органічних решток, які надійшли в ґрунт, його фізико-хімічні властивості. Максимальним абсолютним вмістом водорозчинних речовин характеризуються чорноземи типові середньосуглинкові природних фітоценозів. В умовах заповідного степу “Михайлівська цілина” біхроматна активність в шарах 0-10 см., та 10-20 см., становила відповідно 8,1 * 1,10^-2 та 6,2 ^* 1,10^-2%С до маси ґрунту (1,47 та 1,20% до органічного С ґрунту). В орному шарі лучно-чорноземного ґрунту, залежно від варіантів системи добрив, кількість водорозчинної органічної речовини варіювала в межах 0,72-1,5%С від загального вмісту органічного вуглецю в ґрунті. Мінімальним значенням характеризувався контрольний варіант. Крім того, у варіанті мінеральної системи добрив кількість водорозчинного вуглецю вища, ніж у підорному шарі, що не характерно для інших варіантів.

У процесі функціонування ґрунтів під природною рослинністю з часом встановлюється квазіврівноважений стан між процесами продукування та деструкції органічної речовини. Формуванню такої ситуації сприяє, перш за все, збалансованість між надходженням та мінералізацією органічних речовин у межах стабільного біоценозу. При тривалому сільськогосподарському використанні ґрунтів постійно знижується запас гумусу. Проте, в сучасних умовах значення органічної речовини визначається не лише як джерело елементів живлення рослин. На передній план виступає її екологічна функція - забезпечення сприятливих колоїдно-хімічних властивостей ґрунту.

Довгострокові досліди з добривами дають можливість встановити швидкість і напрям кількісного та якісного перетворення органічної речовини, а також об'єктивно оцінити ефективність того чи іншого агрозаходу (варіанту досліду).

В період 1974-1994 рр., проведено вивчення впливу варіантів системи добрив на кількісні та якісні зміни органічної речовини в лучно-чорноземному ґрунті. Залежно від досліджуваних варіантів (табл. 1), його кількість за 32 річний період в орному шарі в порівнянні з контролем збільшилася на 0,12-0,76%, а його запаси в 0-50 см., шарі - на 6,93-33,94 т/га. В кількісному відношенні не вдалося вийти на позитивний баланс гумусу по відношенню до ґрунту, що знаходився під перелогом. Від'ємне сальдо балансу для 0-50 см. шару досліджуваних варіантів досліду варіювало від 6,98 до 40,32 т/га. Найбільш суттєві зміни виявлено в перші 13 років проведення дослідів. Відносна різниця запасів гумусу по варіантах змінювалася в межах 2,3-7,6% в порівнянні з контролем. В наступні 10 років (1974-1975 рр.) збереглася раніше встановлена закономірність. Проте, подальші його втрати на контролі були скорочені до мінімуму. Збільшення кількості органічних добрив до 13 т/га на гектар сівозмінної площі сприятливо відобразилося на подальшому відносному підвищенні гумусу в 0-50 см. шарі - з 6,4% в 1984 р., до 8,5% в 1994 р.

Встановлено, що залежно від кількості і регулярності надходження в ґрунт органічної маси у вигляді органічних решток та органічних добрив, а також від інтенсивності процесів їх мінералізації в чорноземних ґрунтах (чорноземи типові та лучно-чорноземні ґрунти) з часом встановлюється новий рівень відносно врівноваженого стану між вмістом гумусу і деструкцією органічних решток. Для півметрового шару при існуючих системах обробітку ґрунту та системі удобрення він становить 297-300 т/га.

Тип гумусу в чорноземі типовому фульватно-гуматний, а в лучно-чорноземно-гуматний. Фракційний склад гумінових і фульвокислот не однорідний. В кількісному відношенні в складі гумінових кислот чорноземних ґрунтів переважає фракція 2 (гумінові кислоти, що переходять у витяжку 0,1н NаОН після декальціювання ґрунту). Її відносний вміст в орному шарі становить 30,2-32,7%С від загального вмісту органічного вуглецю у ґрунті.

Систематичне внесення як одного гною, так і гною разом з мінеральними добривами сприяє збільшенню груп як гумінових кислот, так і фульвокислот. Проте, абсолютне збільшення гумінових кислот більш виражене і відмічається в основному за рахунок рухомої фракції та фракції, що зв'язана з кальцієм.

В складі чорноземних ґрунтів переважає пасивна форма гумусу. Зменшення його вмісту і запасів у чорноземних ґрунтах, що знаходяться в сільськогосподарському використанні, зумовлене, в основному, відносним зниженням у складі гумусу детритної його частини.

Ґрунти природних фітоценозів мають нижчий показник реакційної здатності гумусу ніж їх аналоги, що перебувають у сільськогосподарському використанні.

Азотний фонд чорноземів і дія добрив.

Чорноземи Лісостепу України характеризуються порівняно високим вмістом загального азоту (1805 - 2290 мг/кг ґрунту в орному шарі). Під час їх експлуатації вони функціонували так, що більшість сполук цього елементу надходило в рослини завдяки незворотному процесу минералізації гумусу.

Для азотного фонду вказаних ґрунтів характерний високий вміст сполук, які не піддаються гідролізу (57,0-66,8% від загального вмісту N у ґрунті) і які важко гідролізуються (28,5-34,4%). Чорноземи типові з нижчим абсолютним вмістом азоту (порівняно з лучно-чорноземними) містить відносно високою кількістю фракції, що піддається гідролізу. Із збільшенням глибини залягання шару ґрунту спостерігається як абсолютне, так і деяке відносне її зниження. Абсолютні запаси легкогідролізуємої форми знаходяться в прямій залежності від загального вмісту азоту, а відносний - не перевищує 1,86%. Систематичне використання добрив поряд зі зміною загальних запасів азоту в ґрунті призводить до суттєвого перерозподілу його форм. Так, на удобрених варіантах досліду спостерігається суттєве збільшення мінеральних сполук азоту порівняно з контролем (в 1,2-1,5 раза). Відносний вміст сполук, що гідролізуються, в орному та підорному шарах не перевищує відповідно 33,6% і 32,8%.

Для практичної реалізації забезпечення оптимальних умов росту і розвитку рослин важливо створити в ґрунті оптимальне співвідношення між кількістю єнергії, що знаходиться в обігу протягом річного циклу, та елементами живлення. Одним із важливих агроекологічних показників оптимізації умов розвитку рослин, який регулює співвідношення між азотом та енергією, є відношення С:N у ґрунті. Дослідами встановлено, що С:N в чорноземних ґрунтах варіює в межах 10,314:1. Систематичне внесення добрив суттєво впливає на зміну цього показника до звуження.

Проте, відношення С:N, як фундаментальна характеристика гумусового стану ґрунтів, не дає змоги в повній мірі робити висновки про форми азотовмісних його компонентів і не відображає належним чином ступеню їх гідролізованості та доступності органо-мінеральних сполук азоту рослинам.

Нами проведені дослідження трансформації азоту органічних та мінеральних добрив у гумусові речовини, а також впливу систематичного використання добрив у сівозміні на перерозподіл азоту по двох фракціях гумусу (детритній частині і власне гумусових речовин). Встановлено, що відношення С до N в складі власне гумусових речовин для орного шару лучно-чорноземного ґрунту, залежно від норм добрив, варіювало від 10,6 у варіанті змішаної системи добрив, до 12,7 на контролі. Варіювання цього показника в детритній частині гумусу було ширшим 13,530,4:1. Мінімальним значенням характеризувався варіант органо-мінеральної системи, де вносилася полуторна норма мінеральних добрив. Таким чином, систематичне внесення добрив впливає у першу чергу на азотний фонд детритної частини гумусу. Відносно більше зниження азоту в детритній частині гумусу, ніж азоту власне гумусових речовин, під впливом культур сівозміни на контрольному варіанті, свідчить про інтенсивний розклад азотовмісних органічних речовин цієї частини гумусу. Переважна частина сполук азоту знаходиться в складі власне гумусових речовин, яким притаманна стійкість до мінералізації.

В ґрунті, поряд з активною мінералізацією різних груп гумусових речовин, є їх новоутворення за рахунок післяжнивно-кореневих решток, кореневих виділень та органічних добрив. Цілком ймовірно, що дійсна мінералізація гумусу, а разом з тим і органічного азоту в ґрунті значно більша, ніж зниження іх вмісту, що виявлено за допомогою аналізів.

Шляхом обліку основних складових надходження і використання азоту, а також на основі фактичного його вмісту в лучно-чорноземному ґрунті, проведений розрахунок сальдо балансу цього елементу за дві ротації сівозміни (1974-1984 рр. і 1984-1994 рр.). З урахуванням відповідних допущень рівняння азотного балансу має такий вигляд:

Де:

Nмд - азот мінеральних добрив;

Nод - азот органічних добрив;

Nао - азот атмосферних опадів;

Nпм - азот посівного матеріалу;

Nс - симбіотичний азот рослинних решток бобових культур;

Nнс - азот не симбіотичної фіксації;

Nор - азот органічних решток, що надходять у ґрунт;

Nв - азот, що виноситься з урожаєм культур;

Nгв - азот газоподібних втрат;

Nіф - азот, який втрачається під час процесу інфільтрації.

Розрахунки свідчать, що сальдо балансу загального азоту в 0-50 см. шарі досліджуваних варіантів варіювало від -25 кг/га на контролі до 82 кг/га на варіанті одночасного застосування гною та одинарної дози мінеральних добрив. Решта варіантів займала проміжний стан. У наступний десятирічний період на контролі спостерігалося подальше зниження вмісту азоту в ґрунті (сальдо балансу становило - 79 кг/га). Скориговані дози внесення гною та мінеральних добрив сприяли суттєвому збільшенню вмісту азоту в ґрунті. На варіантах органічної та органічно-мінеральних систем добрив сальдо балансу азоту порівняно з контролем становило 116-136 кг/га.

Фізико-хімічний стан чорноземів і біоенергетика їх органічної речовини.

Фізико-хімічні дослідження ґрунтів вкрай необхідні при розробці способів підвищення ефективності системи добрив і обробітку ґрунту. Подібна інформація дає можливість глибше розкрити механізми взаємодії між ґрунтом, рослиною та добривами, а також розробити досконалі методи контролю та прогнозу змін родючості ґрунтів і охорони навколишнього середовища.

Встановлено, що довготривале сільськогосподарське використання чорноземів типових призвело до зниження рН сольової витяжки та збільшення гідролітичної кислотності. Найбільш сильний вплив на процеси фізико-хімічної деградації спричиняє внесення лише мінеральних добрив. По всіх удобрених варіантах досліду зміна фізико-хімічних характеристик рельєфніше виражена в орному шарі ґрунту. На відміну від чорнозему типового, в лучно-чорноземному ґрунті рН водної витяжки суттєво підвищується порівняно з перелогом.

Для чорноземів і лучно-чорноземних ґрунтів характерний відносно високий вміст у складі ГВК катіону кальцію (19,1-31,4 м-екв/100 г. ґрунту), що становить 78-82% від ЕКО. Вміст обмінного катіону магнію становить 3,6-4,9 м-екв/100 г. ґрунту. На долю обмінного натрію і калію припадає 0,3-0,4 м-екв/100 г. ґрунту. Відношення Са²⁺: Мg²⁺ в складі ГВК варіює в межах 4,55,5:1.

В умовах індустріалізації землеробства посилений антропогенний вплив, за окремими винятками, крім зміни фізико-хімічного стану ґрунтів, в цілому призводить до спрощення структури ґрунтової екосистеми, порушення її енергетично-урівноваженого рівня, необхідного для відтворення родючості ґрунтів. Стійкість функціонування агроценозів підтримується, таким чином, не лише кількісно-якісним складом елементів живлення протягом періоду вегетації рослин, а й і необхідним запасом енергії, доступної для життєдіяльності мікроорганізмів.

Вивчення енергетики гумусу проводилося в стаціонарному досліді Агростанції НАУ “Митниця”.

Залежно від варіантів досліду запаси енергії в складі гумусу в лучно-чорноземному ґрунті (шар 0-50 см.) коливаються в межах 2646-3222 млн. ккал/га. Встановлені закономірності відображають в основному зміни в складі гумусу. Найменшу кількість енергії виявлено у варіанті мінеральної системи добрив.

Варіанти одночасного використання органічних і мінеральних добрив займають проміжне положення між органічною і мінеральною системами. В підорному шарі мінеральної системи добрив і на контролі кількість енергії в складі гумусу вища, ніж в орному.

Природна рослинність перелогів сприяє формуванню у півметровому шарі ґрунту детритно-гумусового комплексу із значно більшим вмістом доступної енергіі, ніж сільськогосподарські культури. Причому найбільша її кількість зосереджена в 0-10 см. шарі.

Кислотно-основна буферність - інтегральний показник агроекологічного стану ґрунтів.

Кислотно-основна буферність складається із здатності численної кількості мінеральних, органічних та органо-мінеральних компонентів, що входять як складові твердих, рідких та газоподібних сполук, протистояти зміні її кислотно-основного стану.

В кінцевому результаті ефективна дія високобуферних ґрунтів на продуктивність агроценозів зумовлена, перш за все, здатністю ґрунтових систем гасити високу амплітуду активності протонів у реакціях, що відбуваються в ґрунтовому розчині за загальною схемою:

Наявні методики визначення та оцінки кислотно-основної буферності не дають можливості вивчати механізми і закономірності буферних властивостей ґрунтів, мають недосконалу для практичного використання систему показників.

Нами опрацьована методика визначення кислотно-основної буферності ґрунтів (П.П. Надточій, 1993).

Її основна принципова відміна від інших аналогів полягає у використанні нових характеристичних показників, що об'єктивно відображають значення кислотно-основної буферності ґрунтів. За нульову базисну лінію відрахунку (еталон з нульовою буферністю) була взята крива потенціометричної залежності кислоти і лугу, які використовували для аналізу.

Еталонами порівняння слугували також площі буферності умовних зразків, які проявляють повну буферну здатність у використовуваних інтервалах кислоти та лугу (0-0,05н), і які мають аналогічний досліджуваному зразку рН водної суспензії (еталон 1) і рН 7 (еталон 2).

Ґрунтотворні породи та мінерали характеризуються різними показниками буферності, але на відміну від верхніх сформованих на них верхніх шарів ґрунту мають, як правило, ширший розмах варіювання індексу кислотно-основної рівноваги (Кр = СБЗк).

В процесі еволюційного перетворення породи в ґрунт проходила закономірна зміна фізико-хімічних характеристик верхніх його шарів. В чорноземі типовому є наближення рН водної суспензії до 7:

Доведено, що показник нейтралізації і ступінь наведеної буферної здатності ґрунту є об'єктивними критеріями оцінки його агроеколо- гічного стану, що дало можливість кількісно оцінити дію антропогенного чинника на буферні властивості ґрунтів. Так, в чорноземі типовому внесення добрив та культури сівозміни викликали зниження буферної здатності в межах кислотного інтервалу. Найбільш суттєво це явище проявилося на варіанті мінеральної системи добрив. В лучно-чорноземному ґрунті - навпаки, зазначені фактори спричинили в орному шарі значне зниження буферної здатності в межах лужного інтервалу.

Вдосконалення управління родючістю ґрунтів і продуктивністю агроценозів.

Практичній реалізації екологічно обґрунтованої системи управління родючістю ґрунтів передує створення моделі родючості, науково обґрунтованої концепції управління і відповідної моделі управління.

Запропонована модель управління базується на загальному принципі системної структури, що є в усіх складних динамічних системах.

Запропонована до впровадження методика складання картограми кислотно-основної буферності ґрунту (П.П. Надточій, 1994, Б.С. Прістер та інш., 1998) та шкала оцінки буферності. Обґрунтована також можливість використання параметрів кислотно-основної буферності для розрахунку норм вапна як контрзаходу, що знижує коефіцієнти надходження радіоактивного стронцію в сільськогосподарську продукцію на радіоактивно забруднених ґрунтах.

Висновки

1. Довгочасне інтенсивне використання сільськогосподарських угідь Лісостепу України призвело до звуження сфери та зниження інтенсивності біологічного кругообігу речовин та енергії в агроекосистемах. Надмірні антропогенні та техногенні навантаження на ґрунтові екосистеми порушили функціонування механізмів зворотних зв'язків, обумовили втрату динамічної рівноваги між процесами продукції та деструкції органічної речовини в напрямі значного зменшення вмісту гумусу в ґрунтах. Має місце прояв різних видів деградаційних процесів: фізичного, фізико-хімічного, ерозійного та антропогенно-дегуміфікаційного.

2. Показано, що однією із основних умов вирішення задачі підвищення продуктивності агроценозів в сучасних екологічних умовах є оптимізація режимів органічної речовини орних ґрунтів та азотного живлення рослин шляхом впровадження раціональної системи добрив культур сівозміни, яка включає обов'язкове внесення гною та інших форм органічних добрив.

3. Дослідженнями, проведеними в довготривалих дослідах, встановлено, що погіршення фізико-хімічних та агрохімічних показників орних ґрунтів обумовлене перед усім завищеним відчудженням органічної речовини за межі агрофітоценозів, яка фотосинтезується в їх річному циклі, недостатньою кількістю внесення органічних добрив, а також необґрунтовано надмірними нормами застосування мінеральних добрив.

4. Вивчено вміст, запаси та якісний склад гумусу, чорнозему типового та лучно-чорноземного ґрунту, їх зміни під впливом довгочасного застосування добрив у сівозміні. Вказано, що ці ґрунти характеризуються відповідно гуматно-фульватним і гуматним типом гумусу. Вже в перші 10-13 років інтенсивного використання лучно-чорноземного ґрунту відмічається суттєве зменшення гумусу в орному шарі. Залежно від норм систематичного застосування добрив у зерново-буряковій сівозміні після закінчення зазначеного періоду в кожному конкретному випадку встановлюється новий рівень відносно врівноваженого режиму органічної речовини. Формування ґрунтового профілю, наближеного за запасами гумусу в 0-50 см. шарі до перелогів, досягається при внесенні за ротацію на гектар сівозмінної площі 13-15 т. гною, 80-116 кг. азоту, 80-130 кг. фосфору, 90-130 кг. калію. Оптимально-матричним вмістом гумусу в орному шарі лучно-чорноземного ґрунту сільськогосподарського використання слід вважати 4,9-5,2%.

5. Тривале сільськогосподарське використання ґрунтів призводить до зниження відношення С:N в складі гумусу, до підвищення реакційної його здатності. Систематичне застосування одного гною і гною в комплексі з одинарною дозою мінеральних добрив на лучно-чорноземному ґрунті спричинює зниження активної частини гумусу. Внесення мінеральних добрив суттєво знижує співвідношення вуглецю гумінових кислот до вуглецю фульвокислот. агроекологічний сільськогосподарський почва

6. Встановлено, що на процеси розкладання і гуміфікації рослинних решток в чорноземі типовому, а також використання сільськогосподарськими культурами азоту мінеральних добрив впливає глибина їх заробки, кількість внесених мінеральних добрив та вапнування. Після семирічного періоду мінералізації (1985-1992 рр.) у ґрунті зберігається 15,5-21,2% вуглецю від внесеної його кількості в ґрунт у вигляді тотально міченої ¹⁴C фітомаси під цукрові буряки. Час повного їх розкладання, залежно від досліджуваних варіантів досліду, становить 9-11 років, а коефіцієнт гуміфікації - 15,5-19,5%.

7. Чорноземи типові і лучно-чорноземні ґрунти характеризуються високим відносним вмістом негідролізуємої та важкогідролізуємої форм азоту. Абсолютне збільшення вмісту загального азоту в лучно-чорноземному ґрунті під впливом систематичного використання добрив зумовлене за рахунок легко-, важко- і негідролізованих його форм.

Список опублікованих праць

1. Надточій П.П., Вольвач Ф.В., Гермашенко В.Г. Екологія ґрунту та його забруднення. Київ. Аграрна наука, 1998. - 286 с.

2. Радіаційна ситуація на сільськогосподарьських угіддях Чернігівської області та заходи щодо зниження її негативної дії (Методичні рекомендації) / Б.С. Прістер, М.М. Лазарєв, Л.М. Романов, П.П. Надточій, В.І. Байда, А.І. Мельник, За ред. П.П. Надточія. Київ, Аграрна наука, 1998. - 80 с.

3. Надточий П.П. Кислотно-основная буферность почвы - критерий оценки ее качественного состояния // Почвоведение. 1998, №9. - С. 1094-1102.

4. Надточий П.П. Определение кислотно-основной буферности почв // Почвоведение. 1993, №4. - С. 34-39.

5. Надточий П.П. Опыт составления картограмм кислотно-основной буферности почв // Агрохимия, 1996, №6. - С. 20-26.

6. Надточий П.П. Управление плодородием почв Лесостепи Украины в условиях экологического кризиса // Вісник аграрної науки. 1996, №11. - С. 10-17.

7. Надточий П.П. Объективные критерии для целей почвенного мониторинга // Доповіді НАН України, 1995, №1. - С. 110-112.

8. Надточий П.П. Содержание и состав гумуса в лугово-черноземной почве при длительном применении удобрений в севообороте // Повышение плодородия почв. Сборник научных трудов УСХА. Киев. 1982. - С. 47-54.

9. Надточий П.П. Оценка буферных свойств почв // Экологическое обоснование системы применения удобрений в севооборотах Лесостепи Украины. Сб. научных трудов Укргосагроуниверситета. Киев, Изд-во УСХА. 1994. - С. 143-149.

Размещено на Allbest.ru